CN108240845B - 一种高速运行车辆所受环境风监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车载风速监测领域，公开了一种高速运行车辆所受环境风监测方法，包括以下步骤：在车辆上布置差压风速仪；通过差压风速仪获取风速和风向；根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。本发明可以得到高速运行车辆行驶时的环境风速和风向，还可以得到横风风速，对研究横风对列车气动性能影响至关重要。同时记录的车辆运行速度和运行里程，对分析铁路沿线大风极值点与防风设施之间的关系具有重要意义。

Description

一种高速运行车辆所受环境风监测方法
技术领域
本发明涉及车载风速监测领域，尤其涉及一种高速运行车辆所受环境风监测方法。
背景技术
伴随着兰新第二客运专线的开通，我国内陆地区与新疆地区的联系大大加深了，但是兰 新第二客运专线新疆境内途径四大风区，风期长、风速大是该段线路的特点。研究表明，列 车高速运行时，在大风作用下，列车气动性能急剧恶化，造成列车大幅度晃动，极易引起翻 车。为保证列车安全运行，新疆乌鲁木齐铁路局在铁路沿线布置多个大风监测站，实时监控 风速变化以及进行预报和预警。
由于兰新铁路穿越戈壁滩，大风监测站布置位置多为人烟稀少、环境恶劣的无人区。对 大风监测站的维护和设备更换带来巨大挑战。而且大风监测站之间距离较远，由于施工难度 的影响，监测站的位置分布并没有完全根据最恶劣风环境的分布情况设置。增设新的大风监 测站，则会造成巨大的人力物力资源浪费。因此现有大风监测站并不能完全反映铁路全线环 境风速风向的真实情况。
发明内容
本发明目的在于提供一种高速运行车辆所受环境风监测方法，以解决现有技术存在的缺 陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种高速运行车辆所受环境风监测方法，包括以下步骤：
S1：在车辆上布置差压风速仪；
S2：通过差压风速仪获取风速和风向；
S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。
优选地，差压风速仪为圆柱状差压风速仪，同一圆周上每30°设置有差压传感器。
优选地，根据实测风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向的公式为：
Figure BDA0001545491780000011
Figure BDA0001545491780000012
式中，V为差压风速仪获取的风速，Vt为车辆运行速度，Vl为V在车辆行驶方向上的分量，
Figure BDA0001545491780000021
为实际风速在列车运行方向上的分量，Ve为实际风速，Vc为横风风速，θ为实际风向。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过差压传感器获取风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向，克服 了高速形式车辆仅通过差压传感器获取风速和风向与实际风速不符的问题。
2、本发明在获取实际风速和风向的同时获取了横风风速，对研究横风对列车气动性能影 响至关重要。
3、本发明在获取实际风速和风向的同时记录了录列车运行速度和运行里程，对分析车速 对差压传感器造成的误差以及对分析铁路沿线大风极值点与防风设施之间的关系具有重要意 义。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的一种高速运行车辆所受环境风监测方法流程图；
图2是本发明优选实施例的差压传感器的受力分析图；
图3是本发明优选实施例的一种高速运行车辆所受环境风监测方法中关于角度的变量与 角度的关系变化曲线；
图4是本发明优选实施例的一种高速运行车辆所受环境风监测方法中关于风速的变量与 角度的关系变化曲线；
图5是车辆运行方向和环境风向相反时的受力分析图；
图6是车辆运行方向和环境风向相同时的受力分析图；
图7是流体绕过圆柱体的流动示意图；
图8是本发明优选实施例的差压传感器的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。
本发明提供了一种高速运行车辆所受环境风监测方法，参见图1，包括以下步骤：
S1：在车辆上布置差压风速仪。
S2：通过差压风速仪获取风速和风向；
S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向。
参见图8，本发明实施例所使用的差压风速仪主体为圆柱状，并且在同一圆周上以30° 为间隔布置了12个差压传感器，采用同一圆周上等距布置的方式可以消除分布不均造成的误 差。在稳定的空气流中，圆柱体表面某一点的压力Pθ随着风向的角度变化而变化，如图2所 述，以2号传感器为参考点，当风向改变时，三个压力传感器的值P1、P2、P3都会随之改变。 以5°为步长，使风向在±30°之间改变，分别记录3个传感器的数值。当风速为v，流体密 度为ρ时，流体压力为：
Figure BDA0001545491780000031
定义：
Figure BDA0001545491780000032
Figure BDA0001545491780000033
Figure BDA0001545491780000034
式中：i＝-30°,-25°,……,0°,5°,……,25°,30°。D2i为关于角度的变量，S2i为关于风速的 变量，P1i是在不同的风向角时1号传感器的压力值。由式(1)、(2)和(3)可计算得到D2i与 S2i不同风向时的数值。
分别以不同的传感器为参考点时，一共获得12组D和S的数，将12组数值取平均值运算， 得到D和S关于风向θ的曲线，结果如图3和图4所示。由图3可以看出，在±15°范围内，D是关 于θ的单调函数，取该范围内的数据进行数据拟合可以得到f(θ,D)。
f(θ,D)＝A*θ+B (5)
由图4可知在±30°范围内，S是关于θ的二次函数，通过曲线拟合可以得到f(θ,S)的表 达式。
f(θ,S)＝C*θ2+D*θ+E (6)
式(5)、式(6)中的系数根据实验数据的拟合曲线得到。
在稳定空气流中，将差压传感器进行0-11号顺序编号，0号传感器正对北方，为初始0°。 控制电路读取传感器数值并进行运算：对传感器数据只进行比较，得到压力值最大的传感器， 并记录器编号；获得该传感器和与其相邻的两个传感器压力值，由式(5)计算得到θ值；然 后将θ值代入式(6)中，可以得到S，由S和三个传感器压力值计算得到P，P和风速的平方成 正比，因此可以得到风速。风向为θ与30*n的和，其中n为压力值最大传感器的编号，θ小于 0时，θ＝θ+360°。
通过上述方法，可以求得车辆在稳定的空气流中的环境风向和风速，参见图7(a)-(c) 三种情况，而车辆在行驶过程中，气流的变化往往是不规律的，参见图7(d)。当车辆处于 高速运动时，差压传感器主体圆柱后的“涡街”逐渐失去规则性和周期性，但分离点前圆柱 表面附近仍为层流边界层，分离点后为层流尾流，分离点约为82°。本发明通过获取分离点 前差压传感器测量的各点的压力结合列车的运行速度和方向，计算出真实的环境风向和风速。
参见图5和图6，图5为车辆行驶方向与环境风向相同的情形，图6为车辆行驶方向与 环境风向相反的情形。图中各变量之间的关系可以描述为：
Figure BDA0001545491780000041
Figure BDA0001545491780000042
式中：V为传感器实测风速，Vt为列车运行速度，Vc为横风风速，Vl为V在列车运行方向 上的分量，Ve为环境风速，
Figure BDA0001545491780000043
为环境风速在列车运行方向上的分量，θ为环境风向。由式1和 式2可以计算得出环境风速和风向，还可以得到横风风速，对研究横风对列车气动性能影响 至关重要。同时记录列车运行速度和运行里程，对分析铁路沿线大风极值点与防风设施之间 的关系具有重要意义。
以车头方向为θ＝0°逆时针方向增大。列车与环境风方向相反时，差压传感器测得的风速 V＝21.5m/s，车速Vl＝154km/时，通过公式(7)和公式(8)计算得到环境风速Ve＝22.4m/s， 环境风向θ＝347°，则可知环境风为从车头左侧13°方向以22.4m/s的速度吹来的风。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高速运行车辆所受环境风监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在车辆上布置差压风速仪；所述差压风速仪为圆柱状差压风速仪，同一圆周上以30°为间隔布置12个差压传感器；
S2：通过差压风速仪获取风速和风向；
S3：根据差压风速仪获取的风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向，所述根据实测风速和风向结合车辆运行速度计算实际风速和风向的公式为：
Figure FDA0002688098140000011
Figure FDA0002688098140000012
式中，V为差压风速仪获取的实测风速，Vt为车辆运行速度，Vl为V在车辆行驶方向上的分量，Vl *为实际风速在列车运行方向上的分量，Ve为实际风速，Vc为横风风速，θ为实际风向;
其中，差压风速仪获取的实测风速V通过以下步骤计算得到：
将差压传感器进行0-11号顺序编号，读取传感器数值进行比较，得到压力值最大的传感器，并记录器编号；获得该传感器和与其相邻的两个传感器压力值，由式(5)计算得到θ值：
f(θ,D)＝A*θ+B (5)
其中，D为关于角度的变量，在±15°范围内，D是关于θ的单调函数，式(5)中的系数A、B根据实验数据的拟合曲线得到；
然后将θ值代入式(6)中：
f(θ,S)＝C*θ2+D*θ+E (6)计算得到S，S关于风速的变量；式(6)中的系数C、D、E根据实验数据的拟合曲线得到；
由S和三个传感器压力值计算得到流体压力P，P和风速的平方成正比，从而得到实测风速V。
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